Corso meteorologia
2015
Lezione 02 del 05/11/2015
P. Randi
R. Ghiselli
Circolazione generale dell’atmosfera
• La circolazione generale dell’atmosfera è la
diretta conseguenza della diversa intensità
con cui il Sole riscalda le basse e le alte
latitudini.
• E in effetti il bilancio energetico al suolo su
base annuale tra la radiazione solare assorbita
e la radiazione persa per irraggiamento
nell’infrarosso, mostra un surplus di calore
all’Equatore e un deficit ai poli.
Circolazione generale dell’atmosfera
Flusso radiativo minimo ai poli
massimo all’equatore
Bilancio radiativo annuale: i poli (90°) sono in deficit; i tropici e
l’equatore in surplus. Per rimediare al problema calore deve
essere trasferito dai tropici verso i poli
Circolazione generale dell’atmosfera
• Se tale disomogeneità non venisse
prima o poi rimossa, la temperatura
all’Equatore dovrebbe aumentare
senza sosta, anno dopo anno,
mentre quella ai poli dovrebbe
essere in costante diminuzione
Circolazione generale dell’atmosfera
• Siccome in realtà, almeno negli ultimi 600010.000 anni, lo squilibrio termico Equatorepoli non ha subito grossi scossoni, allora
bisogna ipotizzare che nell’atmosfera esista un
meccanismo mediante il quale il surplus di
calore equatoriale viene trasportato verso più
alte latitudini, onde appianare il deficit
energetico polare.
ATMOSFERA
•La ridistribuzione del calore a
scala planetaria è affidata per
quasi l’80% alla circolazione
generale dell’atmosfera e per il
restante 20% alle correnti
oceaniche.
OCEANI
Circolazione generale dell’atmosfera:
Hadley
• Partendo da tale presupposto, Hadley nel
1735 propose il primo modello per descrivere
la circolazione generale.
• In tale modello si suppone, per semplicità, che
la Terra sia priva di rotazione e che abbia
superficie omogenea, così da poter trascurare
il diverso riscaldamento stagionale tra oceani
e continenti.
Circolazione generale dell’atmosfera: Hadley
•
Il calore assorbito dalla
Terra intorno all'Equatore
scalda le masse d'aria
sovrastanti che,
dilatandosi, diventano
meno dense e più
leggere, salendo verso la
troposfera.
•
Questa risalita d'aria
genera nei bassi strati
zone di bassa pressione
(associate a condizioni
meteo perturbate),
mentre in quota
l'apporto di aria dagli
strati sottostanti crea
una zona di alta
pressione.
•
Ai Poli invece il
bilancio termico
negativo genera
raffreddamento
dell'aria che
essendo più
densa si porta
dagli strati
superiori verso il
suolo, dove al
contrario si
genera un'alta
pressione.
•
Quindi al suolo
masse d'aria
fredda vengono
spinte dall'alta
pressione polare
verso la bassa
pressione
equatoriale,
mentre in quota
l'aria calda viene
spinta dalle alte
pressioni
equatoriali verso
le basse pressioni
polari.
Problema: la Terra si muove
• Il modello di Hadley, pur rendendo conto
della presenza effettiva della fascia di
bassa pressione al suolo all’Equatore e
dell’alta pressione ai poli, è palesemente
inadeguato per descrivere la
circolazione atmosferica osservata a
scala planetaria e appena descritta.
Problema: la Terra si muove
• L’incongruenza nasce dalla presenza della
forza deviante di Coriolis, che nel modello a
una megacella non veniva presa in
considerazione.
• La forza di Coriolis è una forza deviante
dovuta alla rotazione della Terra, la quale
crea una deviazione verso la destra del moto
nell’emisfero nord e verso la sinistra in quello
sud.
Forza di Coriolis
• Forza apparente che agisce sul moto di corpi sulla superficie
terrestre.
• Dovuta alla conservazione del momento angolare.
• Il momento angolare (o momento della quantità di moto) è una
misura dell'energia di un corpo in rotazione.
• L'entità del momento angolare dipende dalla velocità di rotazione,
dalla massa e dalla distribuzione (geometria) della massa del corpo.
• La distribuzione della massa è descritta dal momento di inerzia.
• Il momento angolare è una grandezza che si conserva. Il pattinatore
che esegue la figura della trottola può regolare la propria velocità di
rotazione avvicinando le braccia al corpo o allontanandole.
• Tenendo le braccia presso il corpo il momento di inerzia diminuisce,
e ciò fa aumentare la velocità di rotazione per conservare il
momento angolare.
Fcoriolis = 0 all’equatore,
aumenta verso i poli
La forza del gradiente di pressione (PGF)
La forza del gradiente di pressione è il modo dell'atmosfera per
cercare di bilanciare il campo di pressione.
Circolazione generale dell’atmosfera:
forza di Coriolis
https://www.youtube.com/watch?v=_36MiCUS1ro
• A livello
globale,
introducendo
la componente
della forza di
Coriolis, il
modello che
ne deriva è
una struttura a
tre celle, come
rappresentato
nella figura a
lato.
MODELLO DI CIRCOLAZIONE PALMEN-NEWTON
Il modello di
Palmen
/Newton
prevede la
presenza di 3
celle di
circolazione per
ogni emisfero.
Questo modello
non tiene in
considerazione
gli
avvicendamenti
stagionali ed i
contrasti
termici tra
continenti ed
oceani.
Pressione media al suolo inverno
Pressione media al suolo estate
La circolazione generale, con il modello a 3
celle, può essere sensibilmente modificata
dalla presenza di grandi masse continentali
e degli oceani.
Un classico esempio è rappresentato dal
Monsone asiatico:
In inverno (prima immagine) l’Asia si
raffredda sensibilmente generando una
vasta alta pressione (l’aria più è fredda e
più “pesa”); mentre l’oceano rimane più
caldo ed è sede di bassa pressione.
Poiché le masse d’aria si muovono dalle
alte verso le basse pressioni, avremo venti
freddi e secchi da nord-nord-est, poche
nubi e piogge praticamente assenti.
In estate (seconda immagine) accade il
contrario: Asia molto calda e sede di bassa
pressione; oceano più fresco e sede di alta
pressione. Venti umidi e molto piovosi
arrivano da sud-ovest
Dry season
Stagione
secca invernale
StagioneWet
delleseason
piogge estiva
ITCZ
ITCZ
Abbiamo quindi il monsone secco invernale (sinistra) e quello umido estivo (destra) che
investe soprattutto l’India fino all’Himalaya portando piogge di eccezione entità.
Esercitazione
• http://earth.nullschool.net/#current/wind/is
obaric/1000hPa/orthographic=12.19,10.88,
375
Circolazione generale dell’atmosfera
• Se le correnti occidentali non deviassero
mai dal loro percorso lungo i paralleli, non si
potrebbe mai attuare lo scambio di calore
tra l’aria calda equatoriale e l’aria fredda
polare, cosicché la temperatura salirebbe
progressivamente sulla fascia equatoriale
e diminuirebbe sulle calotte polari
Circolazione generale dell’atmosfera
• L’incremento progressivo del
contrasto termico Equatore-poli
porterebbe a sua volta a una
graduale intensificazione delle
correnti occidentali fino a
raggiungere 300 km/h dopo circa 3
mesi.
Circolazione generale dell’atmosfera
• In realtà via via che aumenta il contrasto
termico tra alte e basse latitudini, le correnti
occidentali divengono sempre più veloci, fino
al punto che, a causa delle forzate e
improvvise deviazioni di percorso introdotte
dalle catene montuose e dall’alternarsi di
oceani e continenti, iniziano a oscillare lungo i
meridiani, così come capita a una corda di
violino quando viene pizzicata.
Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby
ONDE DI ROSSBY
ONDE DI ROSSBY
Circolazione generale dell’atmosfera: onde di Rossby
•Le ondulazioni (onde di Rossby),
una volta innescatesi, tendono a
divenire via via più ampie, fino a
raggiungere alternativamente le
zone equatoriali e polari.
Circolazione generale dell’atmosfera: onde di
Rossby
• A questo punto le singole onde, divenute ormai
molto allungate nel verso dei meridiani, tendono a
rompersi nella parte terminale isolando vortici a
circolazione oraria, pieni di aria calda (anticicloni di
blocco) alle alte latitudini, e vortici pieni di aria
fredda (gocce fredde) a circolazione antioraria alle
basse latitudini. Con questo processo si realizza un
riscaldamento delle zone polari e un
raffreddamento di quelle equatoriali.
Circolazione generale
dell’atmosfera: onde di Rossby
• Ma perché si formano tali ulteriori
piccole ondulazioni? Per svelare il
segreto occorre fare la conoscenza
con un’altra grande protagonista
della circolazione generale
dell’atmosfera: la corrente a getto.
Circolazione generale dell’atmosfera:
corrente a getto
• In seno all’immenso oceano d’aria che avvolge la
terra vagano senza sosta veloci correnti note con il
nome di Corrente a Getto o Jet Stream.
• La più vigorosa e persistente è la Corrente a Getto
Polare, un vasto fiume aereo che scorre nell’alta
atmosfera, in seno alle correnti occidentali. La sua
carta d’identità è ricca di connotati spettacolari:
spessore verticale 3,5 km, velocità 150-250 km/h,
larghezza 150-500 km, lunghezza 3000-8000 km.
POLAR JET
Polar jet
Circolazione generale
dell’atmosfera: corrente a getto
• Il vento raggiunge la massima
intensità nella parte centrale della
corrente (asse o core del getto), la
quale è in genere situata intorno a
10.000 metri, in prossimità della
tropopausa.
Circolazione generale dell’atmosfera:
corrente a getto
• Ma qual è la forza misteriosa capace di scatenare
nell’alta atmosfera venti così violenti? Siccome le
masse d’aria si muovono tanto più velocemente
quanto più rapida è la variazione della pressione nel
piano orizzontale, vi è allora da supporre che alla
quota del getto esistano dislivelli barici orizzontali di
notevole intensità.
• In effetti il polar jet stream scorre sulla verticale del
fronte polare, l’immaginaria linea al suolo intorno a
50-60 gradi di latitudine, lungo la quale scorrono, una
a fianco dell’altra, le masse d’aria fredde polari e
quelle calde subtropicali.
Circolazione generale dell’atmosfera:
corrente a getto
Corrente a getto
Origine della corrente a getto (jet stream)
Circolazione generale dell’atmosfera:
corrente a getto
• Dalla parte dell’aria fredda, a causa della
maggiore densità atmosferica, la pressione
diminuisce con la quota molto più
rapidamente che nell’adiacente aria calda
cosicché, tra le opposte parti del fronte polare,
si genera una differenza di pressione
rapidamente crescente con l’altezza, e il cui
massimo valore viene raggiunto ai limiti della
troposfera.
Circolazione generale dell’atmosfera:
corrente a getto
• Lungo il fronte polare, complici le deviazioni forzate
indotte sulle correnti occidentali dalle grandi barriere
montuose, avvengono reciproci sconfinamenti delle
masse d’aria polari e subtropicali, con vigorose
irruzioni di aria fredda verso sud e simultanee
invasioni di aria calda verso nord.
• La linea di demarcazione tra tali masse d’aria risulta
disposta a zigzag lungo i paralleli, e di conseguenza
anche la corrente a getto, costretta a seguire il fronte
polare, acquista ampie oscillazioni meridiane aventi
lunghezze d’onda dell’ordine di 4000-10.000 km
Circolazione generale dell’atmosfera
Esercitazione
• http://earth.nullschool.net/#current/wind/is
obaric/1000hPa/orthographic=12.19,10.88,
375
Modifiche alla circolazione generale
• L’intervento di diverse forzanti (poche naturali,
molte antropiche) ha determinato negli ultimi
20-30 anni variazioni nello stato della
circolazione generale, soprattutto nelle
regione temperata (medie latitudini).
• In particolare il riscaldamento globale è uno
dei principali imputati, dal momento che
agisce indisturbato da molto tempo.